一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统

本发明涉及激光医疗，具体涉及一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统。

背景技术：

1、上世纪60年代，激光技术的问世给各个科研领域带来了新的发展。在医学领域一个重要的应用是利用激光对生物硬组织实现消融，相对于传统手术器械在切削牙齿或者骨组织时会引起噪声、振动和疼痛，给患者带来不适，激光消融技术无接触的方式可以避免上述缺点，可以实现无菌、少血甚至无血手术，手术视野清晰不会出现碎屑飞溅等现象，而且激光光束可以通过光学器件、电子技术和计算机进行精确定位和控制，实现高精度的消融。因此，凭借激光消融这些独特的优势，在截骨术、耳骨开窗术、开颅术、碎石术及牙科等生物硬组织医学领域有着广阔的应用前景。

2、当激光照射到待消融的生物硬组织表面时，会发生组织的气化、熔融、喷射以及高温分解等，这类激光导致生物组织的去除和丢失现象称为“组织消融”。虽然激光消融生物硬组织机制复杂，但其作用过程仍属于热作用范畴。生物硬组织不同于其他材料，在生物体内温度过大或者作用时间过长都会造成组织的损伤乃至失活。采用液体辅助冷却不仅可以极大减少消融热损伤，还可以改善消融的表面质量，其，但生物硬组织中羟基磷灰石和水对激光具有较高的吸收系数，这意味着采用水介导进行冷却过程中，水对激光的吸收大大削弱了激光的消融作用。而且激光消融在高深宽比环境下，由于消融内部空间狭小，冷却水不易均匀传输至消融表面，热量更多的是通过热扩散至周围健康组织，从而造成严重的热损伤，因此需要研究在高深宽比环境下冷却方式的流场特征。目前水冷却辅助方式主要是喷雾、水射流以及水膜三种状态冷却，同轴以及旁轴两种作用方位。但常见的旁轴喷雾或水射流冷却辅助方式具有流场不均匀、液膜厚度不均匀等缺点，在高深宽比环境下不能均匀传输冷却水，不利于激光消融的均匀冷却；水膜冷却方式需要制作专门的水膜装置，不适应于未来的大范围应用场景。因此研究如何降低激光被水吸收保证高的消融效率，同时保证有效的冷却具有现实意义。

技术实现思路

1、本发明的目的是设计一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统。具体为控制器控制激光器出光后，入射激光束先经凹透镜扩束进入平凸透镜输出平行光束，通过反射镜将激光束反射到激光头里面聚焦透镜上，然后通过聚焦透镜聚焦耦合到位置固定的空芯石英波导光纤中，再通过光纤耦合器于另一段可更换的光纤耦合。外部的供水系统提供稳压的水流到喷嘴下端溢流腔体，光纤下端与环形水溢流腔体配合形成稳定的环形贴壁水流。光纤底端消融生物组织时提供有效持续的冷却，过多的废液由废液回收系统过滤回收。

2、一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统，激光头结构包括壳体组件、环形水溢流腔体组件、激光耦合传输组件。该系统包括激光的传输系统、供水系统以及废液回收系统。

3、所述激光头壳体组件如图所示，包括上下两部分组件，上半部分组件起到固定聚焦透镜的作用，同时与聚焦透镜的焦距配合，将激光顺利精准耦合进固定石英等波导光纤中。下半部分组件将激光耦合传输结构包裹在其中，同时与外部供水系统连接配合，为环形水溢流腔体提供稳定的水压，下端突出的锥角部分使得环形水溢出时形成缩流，保证在一定的倾斜角度下环形贴壁水流依然保持一定的稳定性。

4、所述的环形水溢流腔体组件可生成具有稳定厚度的环形水，并通过拔插光纤贴壁引流到达消融区域进行冷却。为保证均匀的环形水，水流通过供液系统进入环形水整流腔，待环形水整流腔充满水后，水均匀溢出接触到拔插光纤壁面，后经过环形水整流腔的缩流型喷嘴结构，因水的缩流效应，得到均匀稳定的贴壁环形水，水流即使在很狭窄的环境下也能沿光纤壁到达光纤底端，光纤底端距离消融组织表面0.5-2mm，持续的水流提供有效的冷却。

5、所述激光耦合传输组件包括固定在激光头壳体组件中的聚焦透镜，激光通过聚焦透镜聚焦耦合到第一段固定石英波导光纤中，所述该段光纤通过光纤接头固定在激光头腔体内部，保证激光精准无误地耦合进光纤内部，所述该段光纤下端再通过光纤耦合器于另一段可更换的光纤耦合，以便随时更换下端用于消融的拔插光纤。

6、所述激光的传输系统依次包括激光器、激光控制器、扩束镜、整形透镜，反光镜。所述激光器由所述激光控制器控制，可输出功率0-50w，频率1-50khz，脉宽2-100ns，波长为355nm的紫外等脉冲激光，所述波长段激光对水的吸收率低，可以有效减少环形水到达消融区域冷却时对激光能量的损耗，有效提高激光的利用效率。所述扩束镜能将激光扩束，所述整形透镜可将扩束后的激光整形为平行输出的高斯光束。所述反光镜可改变光路角度，以满足不同角度条件下的需求。

7、所述供水系统包括水箱、医用稳压泵、过滤器、蓄能器、压力调节阀、水流压力传感器。所述医用泵作为供液系统的核心，水从水箱中吸出，经过滤装置获得纯净的水，通过流量调节阀对水流压力进行调节，水流压力传感器可实时检测水流的压力，以保证持续稳定的向环形溢流腔体内供水。

8、所述废液回收系统包括废水箱、医用吸水泵、过滤装置。所述废水箱与消融平台连接，消融冷却后的废水及时通过吸水泵吸出，经过过滤装置后排到到废水箱中。为防止感染，溶液使用一次后按医疗标准做安全处理，故供液系统与废液回收系统分离。

9、本发明的优点与效果是：

10、1.本发明一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统，光纤在激光头底端伸出40mm，可以在狭窄复杂的环境下进行生物组织的消融。

11、2.本发明一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统，激光通过光路传输系统传输，再通过激光头耦合进入石英光纤中，最后经过光纤的传输进行有效的消融，减少了激光传输过程中能量的损耗。

12、3.本发明一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统，激光采用355nm的紫外激光，该波段的激光对水的吸收效率低，同时采用环形附壁的水流进行供水冷却，只让光纤底端与需要消融的组织表内之间有一层均匀稳定的水流，极大地减少了水对激光的吸收与反射，保证了消融效率。

13、4.本发明一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统，在激光头内上端与激光头进行耦合的光纤在光纤接头的配合下位置固定不动，下端通过光纤耦合器连接的光纤在使用一段时间后可方便进行更换，且不会影响上端激光耦合进光纤的精度。

14、5.发明一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统，下端突出的锥角部分使得环形水溢出时形成缩流，保证在一定的倾斜角度下环形贴壁水流依然保持一定的稳定性。

技术特征：

1.本发明一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统，激光头结构包括壳体组件、环形水溢流腔体组件、激光耦合传输组件。壳体组件由上下两部分组件构成。环形水溢流腔体可形成稳定均匀黏附光纤壁的环形水，可以显著降低环形水在冷却辅助时对激光能量的吸收。激光耦合传输结构包括从聚焦透镜聚焦的激光，经过固定光纤和耦合系统耦合进拔插光纤内，由耦合器将两段光纤耦合传输激光，便于更换下端光纤。在环形水溢流腔体结构以及激光头外壳结构的作用下，即使在一定倾斜角度下也能保证环形水的稳定。该系统包括激光的传输系统、供水系统以及废液回收系统。本发明可进行低损伤、高深宽比且需经常更换光纤的生物硬组织消融。

2.根据权利1中所述一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统，其特征在于：光纤传输激光能量辐照在生物硬组织进行消融时，持续稳定的环形附壁水沿着拔插光纤壁面到达消融区域进行有效的冷却，在环形水溢流腔体组件以及激光头外壳组件的作用下，即使在一定倾斜角度下也能保证环形水的稳定。。

3.根据权利1中所述一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统，其特征在于：本专利中激光传输系统中，激光通过光路整形系统后通过聚焦透镜耦合进光纤内，提高了激光的耦合精度，减少了激光的能量损失。

4.根据权利1中所述一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统，其特征在于：所述激光器由所述激光控制器控制，可输出功率0-50w，频率1-50khz，脉宽2-100ns，波长为355nm的紫外等其他医用脉冲激光，所述波长段激光对水的吸收率低，可以有效减少环形水到达消融区域冷却时对激光能量的损耗，有效提高激光的利用效率。

5.根据权利1中所述一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统，其特征在于：激光通过聚焦透镜聚焦耦合到第一段固定石英波导光纤中，该段光纤通过双头光纤接头固定在激光头腔体内部，保证激光精准无误地耦合进光纤内部，该段光纤下端再通过光纤耦合器于另一段可更换的光纤耦合，以便在光纤损伤需要更换时随时更换，且不影响固定光纤的耦合精度。

6.根据权利1中所述一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统，其特征在于：环形水溢流腔体组件可生成具有稳定厚度的环形水，并通过拔插光纤贴壁引流到达消融区域进行冷却。为保证均匀的环形水，水流通过供液系统进入环形水整流腔，待环形水整流腔充满水后，水均匀溢出接触到拔插光纤壁面，后经过环形水整流腔的缩流型喷嘴结构，因水的缩流效应，得到均匀稳定的贴壁环形水，水流即使在很狭窄的环境下也能沿光纤壁到达光纤底端，为消融提供冷却。

技术总结本发明一种稳定且易更换的光纤引流环形水激光头结构及其系统，激光头结构包括外壳结构、环形水溢流腔体结构、激光耦合传输结构。外壳结构由上下两部分组件构成。环形水溢流腔体可形成稳定均匀黏附光纤壁的环形水，可以显著降低环形水在冷却辅助时对激光能量的吸收。激光耦合传输结构包括从聚焦透镜聚焦的激光，经过固定光纤和耦合系统耦合进拔插光纤内，由耦合器将两段光纤耦合传输激光，便于更换下端光纤。在环形水溢流腔体结构以及激光头外壳结构的作用下，即使在一定倾斜角度下也能保证环形水的稳定。该系统包括激光的传输系统、供水系统以及废液回收系统。本发明可进行低损伤、高深宽比且需经常更换光纤的生物硬组织消融。技术研发人员：龙芋宏,尹杰,张胜军,周嘉,韦昌龙,张光辉,陆春,陈志创,黑太平,牟亮,殷浩然受保护的技术使用者：桂林电子科技大学技术研发日：技术公布日：2024/6/11